Development of an Air-Water Combined Cooling System

공냉-수냉 혼합냉각계통에서 열교환기를 배치하는 방안으로 크게 원자로냉각재계통의 1차측 약 15 MPa 급 압력경계가 격납건물 밖으로 확장되는 방안과 증기발생기 2차측 약 8 MPa 급 압력경계가 격납건물 밖으로 확장되는 방안을 고려할 수 있다. 그러나, 1차측 압력경계를 격납건물 밖으로 확장시키면 격납건물의 기능이 무의미해지므로 가압경수로의 설계 개념상 고려될 수 없다. 증기발생기 2차측의 약 8 MPa급 압력경계를 격납건물 밖으로 확장시키는 방안이라고 해도 격납건물 밖으로 확장된 압력 경계면의 면적이 최소화되어야 한다.

Fig. 1은 기존 APR+ PAFS의 열교환기 전단과 주증기관 사이에 공냉열교환기를 직렬로 추가할 때의 배치도(3)를 보여준다. 이 열교환기는 격납건물 내부 또는 외부에 설치될 수 있다. 공냉열교환기가 격납건물 밖에 위치하며, 공냉열교환기 튜브는 증기발생기 2차측 압력 경계를 격납건물 밖으로 확장시킨다. 두 경우 공히 공냉열교환기 튜브의 설계기준은 10MPa 급 압력 기준이 적용되어야 하므로 튜브의 두께가 상당히 두꺼워진다. 한편, 공냉열교환기 튜브 내부의 증기 온도는 포화온도가 되므로 열교환기 입출구의 온도차(DT)가 커질 수 있다.

Fig. 1.

Serial Allocation of Air-Water Heat Exchanger

Fig. 2는 기존 APR+에서 격납건물 밖에 위치하고 있는 PAFS의 열교환기 냉각탱크(PCCT)의 상부에 공냉열교환기를 병렬로 추가할 때의 배치도(3)를 보여준다. 공냉열교환기가 격납건물 밖에 위치하지만 증기발생기 2차측 압력경계와 무관하게 분리되어 있으며, 공냉열교환기 튜브의 내부는 냉각수 탱크 압력에, 그리고 외부는 대기압에 노출된 상태이다. 이 경우, 기존 PAFS의 PCCT를 저압압력용기화(1∼2 Barg)하면 PCCT에서 발생하는 증기를 냉각시키는 공냉열교환기에 순환시킬 수 있다.

Fig. 2.

Parallel Allocation of Air-Water Heat Exchanger

따라서 공냉열교환기의 설계압력으로 1∼2 Barg 급 기준이 적용되므로 주증기관에 공냉열교환기를 설치하는 경우보다 튜브의 두께가 상대적으로 얇아진다. 이 경우 공냉열교환기 튜브 외측은 준 대기압 상태에 있으며, 원자로 1차측 및 2차측 압력 경계로부터 완전 분리되어 있고, 원자로냉각재계통의 압력경계를 격납용기 밖으로 추가 확장시키지 않는 특징이 있다. 이러한 설계에 따르면, 주증기관(증기발생기 2차측)에 공냉열교환기를 부착하는 경우에 비해, 열교환기 튜브 내부의 증기 온도는 낮아지고, 튜브의 두께는 보다 얇아진다.

PAFS 전단에 열교환기를 설치하는 경우, 공냉열교환기는 용도에 따라서 격납건물 내/외부에 선택적으로 배치될 수 있다. 격납건물 외부에 배치하면 증기발생기 2차측용 냉각기나 격납건물 냉각계통의 냉각기로 적용될 수 있으며, 열교환기 튜브 외부를 공기로 냉각시키고 튜브 내부로는 격납건물 내부의 증기나 증기발생기 2 차측 증기가 흐른다. 반대로, 격납건물 내부에 열교환기를 설치하게 되면 격납건물 냉각기로 적용하되 튜브 외부는 격납건물의 증기 및 비응축성 가스가, 그리고 튜브 내부로는 격납건물 밖의 물탱크로부터 공급되는 냉각수가 각각 흐르는 상태가 된다. 두 경우 모두 열교환기의 위치에 따른 격납건물 내부 및 외부의 유동 상태에 따라 열교환기의 성능이 좌우된다.

Fig. 3은 대형냉각재상실사고시의 격납용기 내부의 유동에 대한 CFD 해석 결과를 나타낸 것이다.(4) 격납용기 내부는 파단 증기 유동에 따라서 큰 내부순환유동을 보이고 있다. CFD 해석에서는 파단증기의 방향을 상향 방향으로 설정하였기 때문에 파단류 제트가 수직방향으로 분사되고 있다. 파단류의 방향에 따라 다양한 격납건물 내부유동의 변화가 예상되며, 파단류로 기인되는 격납건물 내부의 유동은 정체되거나 성층화되지는 않지만, 전원완전상실사고(SBO)와 원자로계통의 비파단사고시 격납건물의 성층화 등은 고려할 수 있는 사고 상황이다. 따라서, 격납건물 내부에 열교환기를 설치하는 경우는 사고 조건에 따라서 따양한 내부 유동을 고려하여야 하며, 정체유동 영역에 열교환기를 설치하면 튜브 열전달이 매우 제한적으로 이루어질 수도 있다.

Fig. 3.

Internal and external flow pattern of containment

격납건물 외부의 유동은 횡류가 없는 상태에서 자연대류만을 가정한 경우에 대한 CFD 결과이다. 이 경우가, 자연상태에서, 공냉열교환기 튜브에서의 최소한의 열전달이 발생하는 경우라 판단된다. 격납건물 상부 돔 근처는 재순환류가 발생하므로 공냉열교환기 설치위치로는 부적합하다. 공냉열교환기를 상부 돔 부근에 설치하려면 공기 유도관을 별도로 부착하든가, 격납건물의 수직 부분의 최상단 고도를 초과하지 않는 위치에 열교환기를 배치하여야 한다.

열교환기를 구성하는 튜브에 대하여 다음 기준을 적용하여 냉각에 필요한 튜브 개수를 산출하였다. 튜브는 길이가 4 m이고, 외경이 60.33 mm이며, 내경이 52.5 mm인 스테인리스 튜브로 설계되었다고 가정하였다. 바닷가 근처에 많이 위치하는 원자력 발전소의 위치 특성상 비부식재료의 선택이 필요하기 때문이다.

(1) 격납건물 내부에 열교환기 위치시(Fig. 4(a))

　(격납건물 밖에서 튜브 내부로 냉각수 공급)

　튜브내부 가정 조건:

- 압력 : 1 Bar
- 온도 : 80 °C(입구)/ 90 °C
- 속도 : 0.19 m/s

　튜브외부 가정 조건:

- 압력 : 3 Bar
- 온도 : 133 °C
- 유체 : 증기

(2) 격납건물 외부에 열교환기 위치시(Fig. 4(b))

　튜브내부 가정 조건:

- 압력 : 3 Bar
- 온도 : 133 °C
- 유체 : 증기

　튜브외부 가정 조건:

- 압력 : 1 Bar
- 온도 : 30 °C
- 유체 : 공기

외경이 매끄러운 튜브(Bare Tube)와 핀튜브(Finned Tube)에 대해 각각 계산을 수행하였다. Fig. 4는 격납건물 내외부에 열교환기가 위치할 경우에 대한 튜브의 열적 평가조건을 각각 나타내고 있고, Fig. 5는 위 평가조건에 대한 필요 튜브수를 계산한 결과를 보여준다. 튜브의 수는 경계조건에 따라 다소 변화하므로, 가압경수로의 사고시 열제거에 필요한 사고조건을 기준으로 기존 안전해석 결과를 참조하여, 보수적으로 결정하였다. 따라서 실제 설계시 튜브 수는 변할 수 있다.

Fig. 4.

Heat exchanger location

Fig. 5.

Number of tubes for decay heat removal

Fig. 6과 같이 기존 8시간 작동 후 PCCT의 냉각수가 모두 증발하는 냉각계통에, 증발하는 냉각수 증기를 다시 포집하여 냉각 후 재순환시키는 공냉열교환기를 설치할 경우, 냉각운전시간은 공냉열교환기 용량에 따라 달라진다. 증기의 냉각에 필요한 열교환기의 냉각 능력이 커질수록 냉각운전시간은 연장된다. 이 과정에서 발생하는 증기의 손실 또는 과압 보호를 위해 여전히 대기로 방출시키는 증기량 손실의 대소에 따라서, PCCT의 수위 회복이나 감소 지연시간이 영향을 받는다. 따라서, 72시간 수위유지를 목표로 하는 경우 그에 필요한 재순환 열교환기의 체적을 계산하여 공냉-수냉 혼합냉각계통을 설계하면 된다.

Fig. 6.

Heat removal time extension by aux. heat exchanger capacity